Введение к работе
Актуальность работы. Турбина высокого давления относится к числу наиболее высоконапряженных узлов авиационного газотурбинного двигателя (АГТД). Высокие окружные скорости и температуры, работа в агрессивной газовой среде, частая смена температурных режимов значительно ограничивают надежность и ресурс турбинных лопаток. Требуемый ресурс рабочих лопаток (РЛ) (1020)103 циклов, поэтому основным конструкционным материалом для них являются высокожаропрочные никелевые сплавы монокристаллической структуры. Литейные жаропрочные никелевые сплавы (ЖНС) относятся к многокомпонентным сложнолегированным дисперсионно-твердеющим сплавам. Уровень служебных характеристик таких сплавов и их сопротивление разрушению в значительной степени зависит от параметров упрочняющих фаз (состав, форма, размер, расположение в твердом растворе). Последнее для выбранной композиции легирующих элементов определяется технологией получения и режимами термической обработки (ТО) материала.
Частой причиной выхода из строя современных АГТД в условиях эксплуатации с предельными параметрами рабочего цикла является разрушение РЛ, которое зачастую объясняют термической усталостью (неизотермическая малоцикловая усталость). Термическая усталость обусловлена многократными теплосменами на нестационарных режимах работы. Особенности механизма термической усталости ЖНС остаются недостаточно изученными.
Настоящая работа посвящена исследованию влияния температурно-силового воздействия, приближенного к предельным параметрам рабочего цикла турбины, на структуру и свойства материала РЛ. Исследования проводились в рамках ОКР по увеличению ресурса двигателя РД-33, а также с целью создания научно-технического задела для реализации работ по внедрению новых материалов в конструкцию перспективных вертолетных двигателей. Технологическое опробование предусмотрено на 2013-2014 годы в рамках программы ФЦП «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года».
Цель работы – при температурно-силовом воздействии, приближенном к условиям эксплуатации АГТД изучить комплекс эксплуатационных свойств и структурные особенности сплава ЖС32-ВИ, определяющие работоспособность материала рабочих лопаток.
В связи с этим были поставлены и решены следующие задачи:
исследовать фазовый состав и микроструктуру (состав, форма, размер, расположение в твердом растворе упрочняющих фаз) при термическом воздействии;
изучить структуру и свойства, при варьировании технологических параметров термической обработки РЛ для целенаправленного улучшения характеристик материала;
исследовать влияние структурного состояния материала на уровень механических свойств, сопротивление ползучести и термической усталости;
исследовать особенности разрушения монокристаллов в процессе испытаний на термическую усталость;
разработать методы, необходимые для проведения исследований на монокристаллов
Научная новизна работы:
-
Изучено влияние температурно-силового воздействия на структуру и уровень свойств монокристаллов сплава ЖС32-ВИ. Выявлено снижение прочностных свойств сплава ЖС32-ВИ после длительных изотермических выдержек по сравнению с данными сертификата. Установлена зависимость свойств монокристаллов сплава ЖС32-ВИ от выделения карбидной фазы М6С игольчатой морфологии в исследуемом температурно-временном интервале.
-
Разработана методика определения параметров кристаллографической ориентировки монокристальных изделий.
-
Предложен новый принцип испытания материалов на термическую усталость, заключающийся в создании упругопластической деформации путем использования нагружающей рамы из материала с коэффициентом линейного расширения, отличного от исследуемого образца.
-
Определены особенности термической усталости сплава ЖС32-ВИ:
установлен механизм возникновения пластической деформации при испытаниях сопротивления материала термической усталости на корсетных образцах; разработана методика расчета величины пластической деформации в цикле;
выявлена и показана важная роль нулевого полуцикла при термоциклических испытаниях и в процессе термической усталости изделий;
разработан способ устранения отрицательного воздействия нулевого полуцикла на долговечность в термоциклических испытаниях, заключающийся в варьировании максимальной или минимальной температуры в нулевом полуцикле;
объяснено влияние выдержки при максимальной температуре цикла на снижение долговечности, заключающееся в увеличении продолжительности температурного диапазона протекания пластической деформации в полуцикле охлаждения;
объяснено влияние изотермических выдержек, предшествующих термоциклическим испытаниям, на снижение долговечности материала, в связи с увеличением пластической деформации в цикле из-за снижения его предела текучести.
Практическая ценность работы:
сформулированы технологические рекомендации и обоснован выбор режима ТО отливок лопаток из сплава ЖС32-ВИ, способствующего увеличению запасов прочности РЛ двигателей типа РД-33 до первого капитального ремонта;
получены характеристики ползучести и термической усталости сплава ЖС32-ВИ;
разработана методика определения параметров кристаллографической ориентировки (КГО) монокристальных изделий при производстве турбинных лопаток методом Лауэ и установка РДУ «КРОС-3»;
разработано автономное устройство для испытаний на термическую усталость экспериментальных образцов, готовых изделий и защитных покрытий.
Положения, выносимые на защиту:
результаты структурных исследований и определения уровня эксплуатационных свойств материала после полного цикла ТО и температурно-силового воздействия в условиях приближенных к эксплуатации;
экспериментальное обоснование технологии ТО отливок монокристаллических лопаток для увеличения запаса прочности;
разработанная рентгенографическая методика и установка определения параметров КГО монокристальных изделий и автономное устройство для термоциклических испытаний;
особенности сопротивления термической усталости сплава ЖС32-ВИ.
Достоверность результатов работы подтверждается достаточным экспериментальным материалом, с привлечением современных методов исследования (стандартных и специально разработанных). Достоверность научных выводов и рекомендаций обеспечивается удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных.
Личный вклад автора - разработан режим ТО рабочих лопаток, опробованный в условиях серийного производства ОАО «ММП имени В.В. Чернышева» и программа аттестации свойств материала. Получены экспериментальные данные в лабораториях ОАО «Климов» и выполнены последующие расчетные работы. В соавторстве разработаны: установка РДУ «КРОС-3» и автономное устройство для проведения термоциклических испытаний. Автору принадлежит постановка задачи по определению сопротивления термической усталости сплава ЖС32-ВИ и методика расчета пластической деформации при термоциклических испытаниях на плоских образцах корсетной формы.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях: «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», Самара, в 2009 и 2011г.г,VI международной научно-технической конференции, Казань 2011г; V Международной научно-технической конференции молодых специалистов авиамоторостроительной отрасли «Молодежь и авиация новые решения и передовые технологии» 16-20 мая 2011 Украина, Запорожье; Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении» 5-8 октября 2010г в ФГУП «ЦИАМ»; Международном научно-техническом симпозиуме «Авиационные технологии XXI века» 16 августа 2011 , Москва, ЦИАМ; III международной научно-технической конференции "Авиадвигатели XXI века", 2010г, Москва, ЦИАМ; Международной научно-практической конференции 5-10 декабря 2011 г. XХХХ «Неделя науки СПбГПУ»; Международной научно-технической конференция «Новые материалы и Технологии глубокой переработки сырья - основа инновационного развития экономики России», Москва «ВИАМ» 25-28 июня 2012 г; Международном научно-техническом форуме, посвященном 100-летию ОАО «Кузнецов» и 70-летию СГАУ, 5-7 сентября 2012г; XVII Международном конгрессе двигателестроителей, Рыбачье-Украина 14-19 сентября 2012г; 19-th European Conference on Fracture (ECF19) Kazan, Russia, 26 - 31 August, 2012.
Публикации. Основное содержание отражено в 13 работах, список которых приведен в конце автореферата, в том числе 9 работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК. Получено 3 патента на полезную модель.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и пяти приложений. Работа изложена на 222 страницах машинописного текста, содержит 158 рисунков и 45 таблиц.
